Toro Rosso (2015 – 2017)
El 28 de noviembre de 2014, la Scuderia Toro Rosso anunció oficialmente que Carlos Sainz Jr. sería piloto oficial en la temporada 2015 de Fórmula 1, junto al neerlandés Max Verstappen.
Batió este año el récord español para un debut al salir más arriba en la parrilla que cualquier otro piloto español hasta 2015. Quedó por delante en su primera clasificación de su compañero de equipo manejando un Toro Rosso, segunda escudería de Red Bull. El inicio de Carlos y la escudería fueron de lo esperado, puntuando en 4 carreras de las primeras 6 (Australia, Malasia, España y Mónaco). Pero después de esa carrera, y hasta el final del primer tramo de la temporada, el madrileño acabaría solamente una y abandonaría las 3 restantes. (por problemas mecánicos) Al regreso de las vacaciones, nuevamente abandona, en Spa, roza los puntos en Monza y puntúa en el comienzo de la gira asiática. En los terceros entrenamientos libres al Gran Premio de Rusia, sufre un fuerte accidente, lo que le conllevó a no disputar la clasificación. Sainz no sufrió daños severos y pudo disputar la carrera. Sin embargo, un problema en los frenos, le lleva nuevamente a abandonar. Regresando al continente americano, Carlos acaba 6.º en Austin, en una carrera muy movida por la lluvia al inicio de esta (posteriormente bajaría al puesto 7.º por una penalización de 5 segundo por exceso de velocidad en los boxes). Sería la última vez que puntuaría en la temporada. En las 3 carreras restantes, acabaría 2 de ellas y abandonaría en 1. El madrileño acabaría en el campeonato en el puesto 15.º con 18 unidades.
Para 2016, Carlos hace un inicio de temporada que supera el de la anterior campaña, sumando en 9 de las 11 primeras carreras del primer tramo de la temporada, ubicándose en la décima posición del campeonato. Sin embargo, tras regresar de las vacaciones, las prestaciones del monoplaza bajan y el español solo pudo puntuar en 2 carreras (Austin e Interlagos). A pesar de esto, Carlos mejoraría en relación con la temporada pasada, terminando en el campeonato en la posición 12.º con 46 puntos.
Carlos Sainz compitió la mayoría de la temporada 2017 en el equipo Toro Rosso (16 de las 20 carreras del campeonato). Tuvo 6 abandonos mientras estaba en el equipo Toro Rosso. Compitió el resto de la temporada en el equipo Renault siendo el piloto Brendon Hartley su sustituto en Toro Rosso. Su mejor puesto lo consiguió en el Gran Premio de Singapur, donde finalizó 4.º.
Renault (2017 – 2018)
Sainz pasó al equipo Renault para sustituir a británico Jolyon Palmer a partir del Gran Premio de los Estados Unidos. Fue séptimo en su debut con los franceses. Finalizó 9.º esa temporada, quedando delante de todos los pilotos con los que compartió equipo.
En la temporada 2018, Carlos Sainz finalizó 10.º en el campeonato, quedando por detrás de su compañero, Nico Hulkenberg, que finalizó 7.º Su mejor resultado en carrera fue un 5.º puesto en el Gran Premio de Azerbaiyán. Finalizó 19 de los 21 Grandes Premios que tuvo la temporada 2018, retirándose en el Gran Premio de Gran Bretaña por una colisión con el piloto Romain Grosjean y en el Gran Premio de México por problemas de suspensión. Esta fue su última temporada siendo piloto del equipo Renault.
McLaren (2019 – 2020)
Tras dejar el equipo Renault, ingresó a McLaren con un contrato por dos temporadas, en sustitución de Fernando Alonso, siendo así el nuevo compañero del joven británico Lando Norris.
Las tres primeras carreras de la temporada no fueron muy buenas, con dos abandonos en Australia y Baréin por problemas con el coche y un 14.º puesto en China tras una colisión en la primera vuelta. A partir de ahí y hasta el final de la temporada, Sainz logró clasificar en los puestos de puntos en casi la totalidad de las carreras, siendo el líder de la «tabla media» y superando en algunas ocasiones al Red Bull de Pierre Gasly. Logró su primer podio en Fórmula 1 en el GP de Brasil 2019 acabando en 3.ª posición tras salir último. Con este podio, Carlos es el segundo piloto de la historia que logra su primer podio en Fórmula 1 saliendo en última posición, tras Peter Whitehead en Francia 1950 (Carlos lo ha logrado incluso saliendo más atrás, saliendo 20.º mientras que el británico lo logró saliendo 19.º). Asimismo, Sainz es el piloto que más Grandes Premios ha necesitado en toda la historia de la Fórmula 1 para lograr su primer podio: 101. Supera el récord de 91 de Martin Brundle. (Hasta ahora, todos los pilotos que disputaron sus 100 primeros grandes premios sin conseguir un podio, acabaron su carrera sin subirse nunca al podio). Fue el cuarto piloto español en conseguir un podio en Fórmula 1 tras Alfonso de Portago, Fernando Alonso y Pedro de la Rosa, consiguiendo el podio número 100 de los pilotos españoles en Fórmula 1. Finalizó la temporada en sexta posición del mundial, solo por detrás de los Mercedes, los Ferrari y el Red Bull de Verstappen, y cinco puestos por delante de su compañero de equipo.
En 2020, sigue compitiendo con el equipo McLaren junto con Lando Norris de compañero. Las dos primeras carreras de la temporada se disputaron en Austria, Sainz quedó en 5.ª posición en la primera tras una buena carrera de ambos McLaren y 9.º en la segunda carrera. Sainz salía 3.º pero una mala parada le hizo perder varias posiciones. La suerte tampoco le acompañó en las siguientes carreras: en Hungría, otra parada lenta, trabajo pendiente de la escudería, le hizo perder algunas posiciones, en el Gran Premio de Gran Bretaña rodaba 4.º cuando se le pinchó el neumático delantero izquierdo en la penúltima vuelta, y en la siguiente carrera otra mala parada le hizo perder varias posiciones.
La carrera en el Gran Premio de su casa, en España, le fue bastante mejor, terminó 6.º tras una buena carrera. Sin embargo, en el Gran Premio de Bélgica, la mala suerte volvió de su parte y no pudo empezar la carrera por problemas en su motor en las vueltas de instalación. En el GP de Italia, McLaren mostró un gran ritmo ya desde los entrenamientos del viernes, y consiguió buenos resultados en clasificación clasificación (Sainz quedó 3.º y Norris 6.º). En la carrera, ambos McLaren subieron al 2.º y 3.º puesto en la primera vuelta, sin embargo, una bandera roja favoreció a otros pilotos. Sainz tuvo que adelantar a varios pilotos dificultando así su primera victoria y terminó 2.º a menos de medio segundo del primero.
En las siguientes dos carreras, Sainz cometió dos errores en la primera vuelta de cada carrera. En el GP de la Toscana, trompeó en la tercera curva, perdió muchos puestos y se vio involucrado en un accidente múltiple a más de 200Km/h, mientras que en Sochi, Rusia, se chocó contra el muro en la escapatoria de la primera curva.Tras una primera parte complicada de la temporada, Sainz tuvo más suerte en las siguientes carreras. En Nürburgring, aun teniendo poco ritmo, adelantó varias posiciones tras los problemas en otros monoplazas de pilotos que estaban por delante y quedó 5.º. En Portimão, adelantó 6 puestos en la salida y se colocó 1.º durante unas vueltas demostrando su manejo del coche en condiciones extremas, hasta que los neumáticos de los monoplazas más rápidos consiguieron temperatura, quedó 6.º.
En las últimas carreras de la temporada, Sainz consiguió terminarlas todas entre los 7 primeros. Las carreras más destacables fueron las de Turquía y Baréin, donde remontó desde la 15.ª posición hasta la 5.ª en ambas carreras.
Finalizó la temporada en 6ª posición, por detrás de los dos Mercedes, el Red Bull de Verstappen, el Racing Point de Sergio Pérez y el Renault de Daniel Ricciardo.
Con los puntos obtenidos durante la temporada, sumados a los conseguidos por su compañero Lando Norris, propulsaron al equipo McLaren a la 3ª posición del campeonato de constructores, siendo la mejor posición del equipo desde el año 2012.
Ferrari (2021 – Actual)
En mayo de 2020 se hizo oficial el fichaje de Sainz como piloto titular de Scuderia Ferrari junto a Charles Leclerc para las temporadas 2021 y 2022.
En la clasificación del primer Gran Premio de la temporada, en Baréin, el coche de Sainz se quedó parado en la Q1, sin embargo, pudo arrancarlo de nuevo y clasificar 8.º para la carrera, pese a haber sido conservador en su última vuelta. Sainz hizo una salida también conservadora el día de la carrera y terminó en la posición en la que salió, 8.º. En el siguiente Gran Premio, en el circuito de Imola, no completó una buena clasificación, logrando el puesto 11.º para la carrera, llegando a remontar para finalmente acabar en la 5.ª posición. Después, en el Gran Premio de Portugal, Sainz no realizó una buena carrera, llegando a meta en el puesto 11.ª, pese a haber logrado un quinto puesto en la clasificación del sábado. Una semana después, en el Gran Premio de España, acabó en el 7.º puesto al final de la carrera.
El 22 de mayo de 2021 fue el comienzo del GP de Mónaco. En entrenamientos y clasificación, Ferrari tuvo un gran rendimiento en comparación con carreras anteriores. Leclerc hizo la pole tras una bandera roja que él mismo provocó, pero no pudo salir por los daños sufridos en la propia clasificación. Sainz salió tercero y acabó segundo tras la retirada del Mercedes de Bottas, acompañado en el podio por Max Verstappen, compañero en Toro Rosso en 2015, parte de 2016, y Lando Norris, compañero en McLaren.
Dos carreras más tarde en Francia, Ferrari tuvo importantes problemas de ritmo en carrera y ambos autos terminaron fuera de zona de puntos. Esta sería la última vez que Sainz no sumaría puntos en la temporada.
Luego de tres carreras consecutivas terminando dentro de los seis mejores, Sainz obtuvo su segundo podio de la temporada en Hungría. Había sido cuarto en pista pero Sebastian Vettel, quien había terminado segundo, fue descalificado poco después. Su siguiente podio llegó cuatro carreras más tarde, en Rusia. Sainz había clasificado segundo detrás de Lando Norris. En la largada, se puso primero y mantuvo el liderato hasta la vuelta 12. A pocas vueltas del final se ubicaba tercero, pero, ante una amenaza de lluvia, decidió parar pronto en boxes a colocar neumáticos intermedios. Gracias a esto mantuvo posición de podio y finalmente terminó tercero.
Luego de seis carreras fuera de los cinco mejores, el español volvió al podio en el GP de Abu Dabi, la carrera final de la temporada, acabando nuevamente tercero.6 Con este resultado, superó en esta última carrera a Charles Leclerc y a Lando Norris en el campeonato de pilotos para culminar quinto, solamente detrás de los pilotos de Mercedes y los de Red Bull.
La temporada 2022 representó una mejora de rendimiento para Ferrari y la vuelta a la lucha por victorias y el título. En la primera carrera en Baréin, Ferrari logró un 1-2 con Leclerc primero y Sainz segundo. En Arabia Saudita, Sainz repitió podio detrás Verstappen y Leclerc, antes de tener abandonos prematuros por salidas de pista en las dos carreras siguientes.
En las siguientes cinco carreras, Sainz logró tres podios, un cuarto y un abandono por una falla hidráulica del monoplaza.
El 3 de julio de 2022, después de haber disputado 150 Grandes Premios, logró su primer triunfo en la F1 en el Gran Premio de Gran Bretaña saliendo desde su primera pole position, siendo de esta forma el segundo piloto español en conseguirlo después de Fernando Alonso.
